我國(guó)新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究.pdf

我國(guó)新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究 丁文成 何 萍 周 衛(wèi) 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 北方干旱半干旱耕地高效利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100081 摘要 肥料產(chǎn)業(yè)服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 尿素 磷銨 氯化鉀和復(fù)合肥等傳統(tǒng)化肥產(chǎn)品的大量投入對(duì)保障糧食安全發(fā) 揮了至關(guān)重要的作用 隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式從資源消耗型向綠色可持續(xù)型轉(zhuǎn)變 發(fā)展新型高效肥料產(chǎn)業(yè) 提 升肥料產(chǎn)品對(duì)糧食安全與生態(tài)環(huán)境安全的協(xié)同保障作用 是現(xiàn)階段國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵舉措 新型肥 料類型主要有緩 控釋肥料 增值肥料 水溶肥料 商品有機(jī)肥 微生物肥料等 相比于常規(guī)施肥 施用新型肥 料普遍能夠提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率 增產(chǎn)率范圍為4 6 17 5 氮肥利用率提高16 8 52 3 農(nóng)田 土壤氨揮發(fā)損失量可降低7 2 50 7 N2O排放降低8 1 40 8 氮淋溶損失降低16 5 43 8 氮徑流 損失降低22 1 45 4 經(jīng)過幾十年的跟蹤和創(chuàng)新 我國(guó)新型肥料形成了產(chǎn)業(yè)化 新型肥料總產(chǎn)量已位居世界 前列 但由于新型肥料產(chǎn)業(yè)起步晚 幾乎所有類型的新型肥料生產(chǎn)均存在原創(chuàng)核心技術(shù)缺乏 產(chǎn)品特性與農(nóng)業(yè) 需求匹配性不高 施肥技術(shù)和裝備發(fā)展滯后 以及監(jiān)管體系薄弱等問題 為推動(dòng)新階段新型肥料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綠色 高效轉(zhuǎn)型升級(jí) 未來我國(guó)的新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略核心包括以下4個(gè)方面 1 以農(nóng)業(yè)需求為導(dǎo)向 提升肥料產(chǎn) 品與生產(chǎn)需求的匹配度 2 肥料增效技術(shù)由注重養(yǎng)分供給向土壤環(huán)境 作物吸收和有效供給綜合調(diào)控發(fā)展 肥 料增效材料向高效 環(huán)保和價(jià)廉方向發(fā)展 肥料產(chǎn)品向營(yíng)養(yǎng) 土壤改良和抗逆等多功能發(fā)展 3 注重最大限度 地利用資源 降低能耗 通過大型肥料生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)化和改造 力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)新型肥料由二次加工到一次生產(chǎn)的突 破 實(shí)現(xiàn)新型肥料生產(chǎn)的綠色低碳轉(zhuǎn)型 4 建立健全肥料生產(chǎn) 銷售和使用全鏈條監(jiān)管體系 保障新型肥料產(chǎn) 業(yè)的高質(zhì)量健康發(fā)展 關(guān)鍵詞 新型肥料 養(yǎng)分增效技術(shù) 產(chǎn)業(yè)短板 發(fā)展戰(zhàn)略 Development strategies of the new type fertilizer industry in China DING Wen cheng HE Ping ZHOU Wei Institute of Agricultural Resources and Regional Planning Chinese Academy of Agricultural Sciences State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi arid Arable Land in Northern China Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer Ministry of Agriculture and Rural Affairs Beijing 100081 Abstract The fertilizer industry is the backbone of agriculture Traditional fertilizers like urea ammonium phosphate potassium chloride and compound fertilizers are heavily invested and play a key role in making sure China has enough food As China s agricultural development shifts away from resource consumption and toward green and sustainable development new type and high efficiency fertilizers capable of achieving food security and environmental security become a major demand for green agricultural development New type fertilizers in China include slow controlled release fertilizer value added fertilizer water soluble fertilizer commercial organic fertilizer and bio fertilizer Compared to traditional fertilization applying new type fertilizers increases crop yields and nitrogen N use efficiency by 4 6 17 5 and 16 8 52 3 and reduces ammonia volatilization N2O emission N leaching and N runoff by 7 2 50 7 8 1 40 8 16 5 43 8 and 22 1 45 4 respectively After decades of research and development China s new type fertilizer achieves 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào) 2023 29 2 201 219 doi 10 11674 zwyf 2022669 Journal of Plant Nutrition and Fertilizers http www plantnutrifert org 收稿日期 2022 12 07 接受日期 2023 01 07 基金項(xiàng)目 中國(guó)工程院戰(zhàn)略研究與咨詢項(xiàng)目 2022 XY 98 國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目 32102492 農(nóng)田智慧施肥項(xiàng)目 國(guó) 家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系 聯(lián)系方式 丁文成 E mail dingwencheng 通信作者 周衛(wèi) E mail zhouwei02 industrialization and global leadership in production However this innovation was met with some limitations including the short development period of the new type fertilizer industry the lack of original core technologies the low match between fertilizer product characteristics and agricultural requirements the lagging development of fertilizer application technology and equipment and the need to improve administrative systems policies and laws The following strategies should be focused on to achieve the transformation and upgrading of the new type fertilizer industry towards the overall goal of green and high efficiency in the new stage 1 bridging the gap between fertilizer properties and agricultural practices 2 increasing fertilizer efficiency by shifting focus from nutrient supply to soil environment and crop absorption This can be achieved by developing environmentally friendly and cost effective additives containing plant growth stimulants and soil remediation materials 3 maximizing resource use and reducing energy consumption during fertilizer processing and preventing new type fertilizer production from secondary processing 4 constructing a whole chain supervision system covering production marketing and application of new type fertilizer to ensure green production quality retracing and efficient use Key words new type fertilizer value adding technology limitation in new type fertilizer industry upgrading of procession green development strategy 肥料是作物生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ) 全球每年化肥農(nóng) 用消費(fèi)量在2億t N P2O5 K2O養(yǎng)分量 左右 1 對(duì)糧 食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)40 以上 2 在保障全球糧食安 全方面發(fā)揮著不可替代的作用 尤其是近年來食品 短缺人口比例大幅度提高 據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織估 算 全球食品短缺人口總數(shù)為7 2 8 1億 3 全球糧 食安全正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn) 更亟需依賴肥料的高效施 用以支撐作物高產(chǎn) 我國(guó)是世界最大的化肥生產(chǎn)國(guó) 和消費(fèi)國(guó) 氮肥 磷肥和鉀肥的生產(chǎn)量分別占全球 總量的26 30 和14 消費(fèi)量分別占23 21 和26 1 其中氮肥和磷肥產(chǎn)業(yè)不僅滿足國(guó)內(nèi)需 求 而且為全球肥料供應(yīng)提供了重要支撐 1980年 至2020年 我國(guó)糧食單產(chǎn)和總產(chǎn)分別從2734 kg hm2 和3 2億t增長(zhǎng)到5734 kg hm2和6 7億t 而農(nóng)用化 肥用量從1269萬t增長(zhǎng)到5251萬t 4 化肥的投入在 糧食增產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用 全國(guó)化肥試驗(yàn)網(wǎng)開 展的5000多個(gè)肥效試驗(yàn)證明 我國(guó)化肥的增產(chǎn)率在 50 左右 5 然而 傳統(tǒng)肥料養(yǎng)分利用率低 過量施 肥導(dǎo)致土壤退化 大氣和水體污染以及生物多樣性 降低等問題 6 11 對(duì)生態(tài)環(huán)境安全產(chǎn)生了巨大威脅 因此 傳統(tǒng)化肥產(chǎn)品和施肥技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)糧食安全 與生態(tài)環(huán)境安全的協(xié)同 發(fā)展新型肥料產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè) 綠色可持續(xù)發(fā)展的必然選擇 新型肥料研發(fā)是運(yùn)用有效養(yǎng)分高效化產(chǎn)品創(chuàng)新 的理論與技術(shù) 將傳統(tǒng)氮肥 磷肥 鉀肥 復(fù)合肥 等產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí) 使其營(yíng)養(yǎng)功能得到提高或使之具 有新的特性和功能 或通過開發(fā)新資源 利用新理 論 新方法和新技術(shù)等 開發(fā)肥料新產(chǎn)品類型 以 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效 綠色增產(chǎn) 環(huán)境友好等目標(biāo) 12 當(dāng) 前 新型增效肥料主要包括緩 控釋肥料 增值肥 料 水溶肥料 商品有機(jī)肥 微生物肥料等產(chǎn)品類 型 近年來 在全球尺度開展的多項(xiàng)Meta分析研究 表明 相比于傳統(tǒng)化肥施用 不同類型的新型肥料 可以在增加作物產(chǎn)量的同時(shí) 提高肥料利用率 減 少養(yǎng)分損失 13 16 盡管如此 目前市售各類新型肥料 產(chǎn)品的施用效果仍存在較大不確定性 這主要是由 于很多新型肥料產(chǎn)品的農(nóng)藝原理研究不足 其養(yǎng)分 高效化程度依然有待提高 加之產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)和養(yǎng) 分配方未與不同類型農(nóng)作物 土壤或氣候的差異化 需求實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)匹配 制約了新型肥料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā) 展 新型肥料相對(duì)于傳統(tǒng)肥料而言是相對(duì)的概念 是長(zhǎng)期處于發(fā)展過程之中的肥料 因此亟需調(diào)研 新形勢(shì)下我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求和新型肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展水平 為新型肥料的研發(fā)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供 方向 近年來 我國(guó)化肥產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)取得了積極進(jìn) 展 新型肥料產(chǎn)品研發(fā)水平有了明顯提高 但仍存 在技術(shù)創(chuàng)新不足 資源消耗和環(huán)境排放較高 產(chǎn)品 結(jié)構(gòu)與農(nóng)業(yè)需求匹配度不高 產(chǎn)品發(fā)展方向不夠明 確等問題 本文立足農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的國(guó)家重大需求 和國(guó)際肥料科技前沿 通過對(duì)我國(guó)新型肥料產(chǎn)業(yè)現(xiàn) 狀 總體水平和最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和分析 重點(diǎn)闡 述緩 控釋肥料 增值肥料 水溶肥料 商品有機(jī) 肥 微生物肥料等主要新型肥料技術(shù)的創(chuàng)新與突 破 闡明制約我國(guó)肥料產(chǎn)品高效應(yīng)用的技術(shù)瓶頸和 肥料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵問題 提出適應(yīng)我國(guó)養(yǎng) 202植 物 營(yíng) 養(yǎng) 與 肥 料 學(xué) 報(bào)29 卷 分資源稟賦特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)需求的肥料產(chǎn)業(yè)高 質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)途徑與對(duì)策建議 1 新型肥料發(fā)展的必要性 1 1 傳統(tǒng)肥料過量施用造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染 我國(guó)大宗化肥消費(fèi)結(jié)構(gòu)的90 以上依然是傳統(tǒng) 化肥產(chǎn)品 如尿素 磷銨 氯化鉀和復(fù)合肥等 12 其 中氮和磷養(yǎng)分利用率相對(duì)較低 且易損失到大氣和 水體中造成環(huán)境污染 酰胺態(tài)氮肥 尿素 在氮肥消 費(fèi)中占比達(dá)64 氮素易氨揮發(fā)損失 導(dǎo)致我國(guó)主 要糧食作物 小麥 玉米和水稻 的氮肥利用率僅有 26 37 17 我國(guó)磷肥利用率僅有10 20 18 19 磷酸二銨 磷酸一銨在磷肥中占比分別為44 和 41 由于其水溶性磷含量較高 施入土壤后易與 鈣 鎂 鐵等結(jié)合形成難溶性鹽 導(dǎo)致磷素的有效 性降低 鉀肥品種以氯化鉀和硫酸鉀為主 占比達(dá) 83 鉀肥利用率也僅有40 50 19 傳統(tǒng)化肥施 用模式下肥料養(yǎng)分利用率低 作物高產(chǎn)建立在肥料 高投入的基礎(chǔ)上 通過過量施肥以保證作物養(yǎng)分充 足供應(yīng)的現(xiàn)象普遍存在 我國(guó)農(nóng)田氮肥和磷肥的平 均施用量分別為N 191 kg hm2和P2O5 73 kg hm2 是 世界平均水平的2 6和2 4倍 1 因此大量化肥養(yǎng)分 積累在土壤中或損失到環(huán)境中 造成了資源浪費(fèi)和 環(huán)境污染 我國(guó)農(nóng)田每年約有760萬t活性氮 21 萬t磷以及1 3億t溫室氣體 以CO2計(jì) 排放到大氣 和水體環(huán)境中 圖1 20 25 成為地表水體富營(yíng)養(yǎng)化 地下水硝酸鹽超標(biāo) PM2 5形成以及全球變暖的重 要來源 高產(chǎn)施肥的環(huán)境矛盾突顯 傳統(tǒng)肥料的局 限性越來越突出 全面建立新型高效肥料產(chǎn)品體 系 推動(dòng)傳統(tǒng)肥料產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí) 是農(nóng)業(yè)綠色可 持續(xù)發(fā)展的必然要求 1 2 新型肥料是實(shí)現(xiàn)化肥減量增效的有效途徑 新型肥料的研制生產(chǎn)不僅包括養(yǎng)分增效技術(shù)和 生產(chǎn)工藝創(chuàng)新 還充分考慮與農(nóng)藝措施發(fā)展匹配融 合 因而是更加優(yōu)質(zhì) 高效和環(huán)保的肥料產(chǎn)品 當(dāng) 前我國(guó)新型肥料產(chǎn)品類型主要包括緩 控釋肥料 增 值肥料 水溶肥料 商品有機(jī)肥 微生物肥料等 其通過優(yōu)化養(yǎng)分供應(yīng) 強(qiáng)化根系吸收 增強(qiáng)作物抗 逆 調(diào)節(jié)體內(nèi)代謝等過程 獲得更高的肥料養(yǎng)分效 率 協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的矛盾 依據(jù)生產(chǎn)工 藝和用途 新型肥料產(chǎn)品養(yǎng)分的高效機(jī)理不盡相 同 緩 控釋肥通過減緩或控制養(yǎng)分釋放速率 最大 限度的實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分供應(yīng)與作物不同生長(zhǎng)階段養(yǎng)分需求 協(xié)同 從而提高肥料的利用率并降低各種途徑的養(yǎng) 分損失 26 根據(jù)養(yǎng)分緩釋原理的不同 可將緩 控釋 肥細(xì)分為包膜肥料 穩(wěn)定性肥料 脲醛類肥料等 增值肥料是將腐殖酸 海藻酸 氨基酸等生物活性 增效載體與傳統(tǒng)化學(xué)肥料科學(xué)配伍 通過綜合調(diào)控 肥料 作物 土壤 系統(tǒng)改善肥效 27 水溶肥的特點(diǎn) 是不論固態(tài)還是液態(tài)產(chǎn)品 其所有成分必須完全水 溶 以滿足噴灌 滴灌 無土栽培 葉面施肥的需 求 通過水肥一體化 實(shí)現(xiàn)少量多次施肥 獲得高 肥料利用率 28 水溶肥產(chǎn)品分為大量元素水溶肥 中 量元素水溶肥 微量元素水溶肥 含腐殖酸水溶 肥 含氨基酸水溶肥 有機(jī)水溶肥料等 商品有機(jī) 肥是將畜禽糞便 動(dòng)植物殘?bào)w 農(nóng)產(chǎn)品或食品加工 的廢棄物通過工廠化加工 無害化處理制成的肥料 產(chǎn)品 商品有機(jī)肥解決了傳統(tǒng)有機(jī)肥養(yǎng)分含量低 運(yùn)輸困難 就地消納需要很高的環(huán)境容量等問題 施 用商品有機(jī)肥可為作物提供穩(wěn)定的養(yǎng)分供應(yīng) 減 少養(yǎng)分的環(huán)境損失 不同程度地改善土壤理化性 質(zhì) 增加土壤肥力 提高作物品質(zhì) 29 微生物肥料的 主要特征是添加了具有固氮 溶磷 解鉀等功能微 生物菌劑 或添加了能夠通過代謝活動(dòng)產(chǎn)生刺激素 的有益微生物 具有促進(jìn)作物利用土壤中的低有效 態(tài)養(yǎng)分 或拮抗病原微生物減少作物病害發(fā)生等 功能 30 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類新型肥料產(chǎn)品的農(nóng)學(xué)和環(huán)境 效應(yīng)開展了大量田間試驗(yàn)和Meta分析 初步明確了 新型肥料在降低肥料投入 提高作物產(chǎn)量和肥料利 0 30 60 90 120 150 0 1 2 3 4 5 氨揮發(fā) NH 3 volatilization 氧化亞氮排放 N 2 O emission 氮淋溶 N leaching 氮徑流 N runof f 磷損失 P loss 溫室氣體排放GHG emission 活性氮損失 Reactive N loss 10 6 t a 磷損失 P loss 10 4 t a 溫室氣體排放 GHG emission CO 2 C 10 6 t a 圖 1 我國(guó)農(nóng)田每年氮 磷損失量及溫室氣體排放量估算 Fig 1 The estimation of annual nitrogen and phosphorus losses and greenhouse gas GHG emissions from Chinese farmlands 2 期丁文成 等 我國(guó)新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究203 用率 減少養(yǎng)分損失等方面的潛力 表1 相比于等 養(yǎng)分常規(guī)施肥處理 施用新型肥料能夠普遍提高作 物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率 增產(chǎn)率范圍為4 6 17 5 氮肥利用率提高16 8 52 3 農(nóng)田土壤氨揮發(fā)損 失量可降低7 2 50 7 N2O排放降低8 1 40 8 氮淋溶損失降低16 5 43 8 氮徑流損 失降低22 1 45 4 值得注意的是 新型肥料實(shí)現(xiàn)其最佳增產(chǎn)減排 效應(yīng)依賴合理的施用方法 例如 抑制劑型緩釋肥 料能夠減少氮素的氨揮發(fā)和氧化亞氮排放損失 但 Fan等 41 Li等 13 和Xia等 31 研究認(rèn)為 添加硝化抑 制劑的肥料促進(jìn)了9 29 的氨揮發(fā) 因此 新型 肥料施用不當(dāng)也存在降低作物產(chǎn)量或促進(jìn)土壤養(yǎng)分 環(huán)境損失的風(fēng)險(xiǎn) 因此 需要研究不同作物 土 壤 氣候條件下新型肥料適宜的產(chǎn)品 有針對(duì)性地 進(jìn)行肥料增效技術(shù)的改良創(chuàng)新 2 我國(guó)新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 肥料產(chǎn)業(yè)始終伴隨著肥料產(chǎn)品的創(chuàng)新轉(zhuǎn)型升 級(jí) 依據(jù)肥料產(chǎn)品的性狀 肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大致分 為4個(gè)發(fā)展階段 1 初始階段 養(yǎng)分濃度低且有效 性較差 主要產(chǎn)品有草木灰 骨粉或磷礦粉等 2 低 濃度階段 生產(chǎn)技術(shù)簡(jiǎn)單且養(yǎng)分含量?jī)H在14 25 主要產(chǎn)品有氨水 碳銨 過磷酸鈣等 3 高 濃度階段 養(yǎng)分濃度一般在40 以上 但存在養(yǎng)分 易損失等缺點(diǎn) 主要產(chǎn)品有尿素 磷銨 氯化鉀和 高濃度復(fù)合肥等 4 綠色高效階段 肥料產(chǎn)品具有 養(yǎng)分高效 功能多元 環(huán)境友好等特點(diǎn) 代表性產(chǎn) 品包括緩 控釋肥料 水溶肥料 微生物肥料等 12 自20世紀(jì)50年代起 肥料產(chǎn)業(yè)逐漸從傳統(tǒng)肥料品 種向新型肥料過渡 53 歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家率先開展了新 型肥料產(chǎn)品的研發(fā)和在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 美國(guó)最 早研制硫包膜和聚合物包膜肥料 隨后日本 德國(guó) 等相繼研發(fā)出生物易降解材料包膜 混合物包膜肥 料 54 57 德國(guó)的硝化抑制劑產(chǎn)品DMPP 美國(guó)的脲酶 抑制劑產(chǎn)品NBPT等已在全球農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用 58 59 水肥一體技術(shù)最成熟 應(yīng)用面積最大的是美國(guó) 以 色列水溶肥市場(chǎng)占有率最高 達(dá)到90 60 全世界 有70多個(gè)國(guó)家生產(chǎn)和推廣使用微生物肥料 歐美發(fā) 達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中微生物肥料的使用率在20 以上 美國(guó)和巴西大豆根瘤菌接種率達(dá)到95 以上 61 62 我國(guó)新型肥料研發(fā)較晚 2000年以后 肥料新產(chǎn)品 研究被列入國(guó)家863計(jì)劃 科技支撐計(jì)劃 重點(diǎn)研 發(fā)計(jì)劃 成果轉(zhuǎn)化基金項(xiàng)目等給予重點(diǎn)支持 農(nóng)業(yè) 農(nóng)村部2015年印發(fā)的 到2020年化肥使用量零增 長(zhǎng)行動(dòng)方案 指出 通過調(diào)整化肥使用結(jié)構(gòu) 大力 推廣高效環(huán)保的新型肥料 使化肥利用率達(dá)到40 以上 同年 工業(yè)和信息化部印發(fā)的 關(guān)于推進(jìn)化 肥行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的指導(dǎo)意見 中指出要大力發(fā)展新 型肥料 提出 到2020年我國(guó)新型肥料使用量占化 肥總使用量的比重從不到10 提升到30 這些 政策的實(shí)施有效促進(jìn)了新型肥料技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè) 化發(fā)展 我國(guó)已成為全球新型高效肥料研發(fā)的熱點(diǎn) 國(guó)家 據(jù)趙秉強(qiáng)等 12 研究 我國(guó)當(dāng)前正處于由高濃度 化肥階段向綠色高效肥料階段轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期 特 別是隨著我國(guó) 雙碳 和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施 推動(dòng)了綠色肥料產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)和快速發(fā)展的過程 筆者基于中國(guó)知網(wǎng) CNKI 數(shù)據(jù)庫 以 新型肥 料 緩控釋肥 穩(wěn)定性肥料 增值肥料 水溶肥 商品有機(jī)肥 微生物肥料 及其它相 關(guān)的24個(gè)變種主題詞進(jìn)行檢索 以年代范圍2000 2022年精煉獲得24502篇相關(guān)文獻(xiàn) 并將所有文獻(xiàn) 記錄導(dǎo)入VOSviewer軟件中進(jìn)行研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞聚 類分析 從所有新型肥料相關(guān)研究的關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 共現(xiàn)頻次 30 聚類網(wǎng)絡(luò) 圖2 中可以看出 我國(guó)緩 控釋肥的研究起步較早且研究較多 商品有機(jī)肥和 微生物肥料研究側(cè)重于生物有機(jī)肥的研究 水溶肥 的研究主要與水肥一體化技術(shù)結(jié)合較多 而增值肥 料的研究相對(duì)較少 在新型肥料整體研究領(lǐng)域中尚 未形成明顯的聚類 新型肥料的應(yīng)用作物研究涵蓋 了糧食作物 蔬菜 果樹和經(jīng)濟(jì)作物 水稻 玉米 和小麥等主糧作物是主要研究對(duì)象 新型肥料肥效研究主要集中在作物產(chǎn)量 經(jīng)濟(jì) 效益和品質(zhì)指標(biāo)3個(gè)方面 近年來 研究人員利用 Meta分析方法對(duì)緩 控釋肥料和有機(jī)肥料的農(nóng)學(xué)和環(huán) 境效應(yīng)的大量研究結(jié)果開展了系統(tǒng)的整合分析 基 本肯定了其作物增產(chǎn) 養(yǎng)分增效和環(huán)境減排的潛 力 而對(duì)水溶肥 微生物肥料 增值肥料等的增效 機(jī)理和環(huán)境效應(yīng)尚缺乏系統(tǒng)研究 國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和 肥料企業(yè)在低成本 環(huán)保型緩 控釋肥膜材和增效肥 料載體研發(fā) 微生物高效菌株篩選 水溶肥核心磷 原料生產(chǎn)技術(shù)等方面開展了大量基礎(chǔ)性和前瞻性的 工作 為我國(guó)新型肥料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展奠定了基 礎(chǔ) 目前 我國(guó)已初步建立了新型增效肥料的理 論 技術(shù)和產(chǎn)品體系 緩 控釋肥料 穩(wěn)定性肥料 脲醛類肥料 增值肥料等綠色高效肥料產(chǎn)品已經(jīng)初 步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 204植 物 營(yíng) 養(yǎng) 與 肥 料 學(xué) 報(bào)29 卷 表 1 與傳統(tǒng)肥料相比新型肥料的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng) Table 1 Agronomic and environmental effects of new type fertilizers compared with conventional fertilizers 新型肥料類型New type fertilizer 增效機(jī)制 Ways of high efficiency 作物產(chǎn)量Crop yield 氮肥利用率N use efficiency 氨揮發(fā) NH 3 volatilization N2 O排放 N2 O emission 氮淋溶N leaching 氮徑流N runoff 檢驗(yàn)方法Test method 參考文獻(xiàn)References 緩 控釋肥料 Slow controlled release fertilizer 包膜型養(yǎng)分控釋Coated fertilizer controlled release 6 0 2 9 22 7 18 5 50 7 19 3 40 8 23 1 43 8 33 8 31 7 Meta 分析 Meta analysis 13 31 34 脲醛類養(yǎng)分緩釋Urea aldehyde fertilizer slow release 11 0 5 8 52 3 9 1 46 8 17 8 田間試驗(yàn)Field experiment 35 40 硝化 脲酶抑制 Nitrification urease inhibitor 6 3 3 0 19 4 12 1 18 8 43 8 40 3 15 8 16 5 50 6 45 4 Meta 分析 Meta analysis 13 31 33 34 41 42 增值肥料Value added fertilizer 腐殖酸增效Humic acid synergy 11 2 7 6 30 7 26 3 7 2 田間試驗(yàn)Field experiment 14 43 45 海藻酸增效Alginic acid synergy 8 6 5 9 42 5 26 1 25 8 田間試驗(yàn)Field experiment 45 47 水溶肥料Water soluble fertilizer 水肥協(xié)同增效Synergy of water and fertilizer 17 5 15 4 28 7 22 9 田間試驗(yàn)Field experiment 48 商品有機(jī)肥Commercial organic fertilizer 有機(jī)替代Organic substitution 4 6 1 4 16 8 7 8 46 7 19 1 8 1 6 5 23 2 8 3 22 1 5 8 Meta 分析 Meta analysis 15 49 51 微生物肥料Bio fertilizer 微生物固氮 溶磷 N fixing P solubilizing microorganism 13 7 4 6 39 8 Meta 分析 Meta analysis 16 33 52 注 表中數(shù)據(jù)以等量傳統(tǒng)肥料試驗(yàn)結(jié)果為對(duì)照計(jì)算的增幅 數(shù)據(jù)為平均值 SD Note The data were expressed as mean SD calculated using equivalent amounts of conventional fertilizers as control 2 期丁文成 等 我國(guó)新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究205 2 1 緩 控釋肥料 緩 控釋肥可根據(jù)作物需求規(guī)律緩慢釋放養(yǎng)分 實(shí)現(xiàn)一次性施肥滿足整個(gè)生長(zhǎng)期的需求 是輕簡(jiǎn)化 施肥技術(shù)的重要載體 63 已成為我國(guó)新型肥料發(fā)展的 主導(dǎo)方向 我國(guó)緩 控釋肥技術(shù)發(fā)展主要?dú)v經(jīng)了3個(gè) 階段 第一階段是始于20世紀(jì)70年代 開始探索 研究長(zhǎng)效肥料 脲甲醛肥料等緩釋肥料 第二階段 是1980 2000年期間 小規(guī)模量產(chǎn)包裹型緩釋肥和 熱塑型樹脂包衣 第三階段是2000年至今 實(shí)現(xiàn)了 多種緩 控釋肥產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化 并出口海外 64 65 目 前我國(guó)包膜緩釋肥料技術(shù)經(jīng)過引進(jìn) 集成和創(chuàng)新 整體上已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平 在大田作物的應(yīng)用技 術(shù)領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平 從緩 控釋肥相關(guān)研究的 關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖 附圖1 來看 緩 控釋肥的研究 主要集中在控釋肥料包膜材料的研究和穩(wěn)定性肥料 的抑制劑研究上 而脲醛類緩釋肥料的研究相對(duì)較 少 高效環(huán)保包膜材料研發(fā)取得了突破性進(jìn)展 許 秀成等 66 研制出以鈣鎂磷肥 酸化磷礦粉 磷酸銨鉀 為包裹層的肥包肥型復(fù)合緩 控釋肥料 在控制核心 氮素釋放的同時(shí) 包裹層含有的鉀 鈣 鎂 硅等 元素也起到促進(jìn)作物生長(zhǎng) 改善土壤結(jié)構(gòu)的作用 Xie等 67 模仿荷葉特有的超疏水微納米級(jí)凸起結(jié)構(gòu) 利用磁性自組裝方法制備包覆 空氣外衣 的超疏水 生物基控釋肥料 液態(tài)水不能直接浸潤(rùn)其膜殼 只 能以水蒸氣擴(kuò)散的方式緩慢進(jìn)入 其養(yǎng)分控釋期延 長(zhǎng)了約1倍 極大地增強(qiáng)了養(yǎng)分的全生育期供應(yīng)能 力 此外纖維素改性包膜材料 油脂改性包膜材 料 改性水基聚合物包膜材料等的研發(fā)大幅度降低 了緩 控釋肥的成本 并提高了環(huán)保性 在穩(wěn)定性肥 料技術(shù)方面 研制開發(fā)出同時(shí)含有多種脲酶抑制劑 和硝化抑制劑的尿素 解決了單一抑制劑作用時(shí)間 短 氮肥轉(zhuǎn)化釋放過快的問題 68 在植物源新型抑制 劑的開發(fā)上取得進(jìn)展 發(fā)現(xiàn)芳香植物水浸提液和水 稻根系分泌物等具有良好的脲酶或硝化抑制效果 對(duì)安全 高效 環(huán)境友好 來源充足的新型抑制劑 研發(fā)具有重要意義 69 70 在生產(chǎn)工藝上 建立了無溶 劑原位表面反應(yīng)包衣控釋技術(shù)工藝 水基樹脂控釋 等技術(shù)工藝 實(shí)現(xiàn)控釋肥生產(chǎn)過程的無溶劑 零排 放 大大減少了環(huán)境污染 根據(jù)Orbit全球?qū)＠麛?shù)據(jù) 庫獲取的不同國(guó)家專利統(tǒng)計(jì)結(jié)果 我國(guó)獲得的緩 控 生物有機(jī)肥 腐殖酸 增產(chǎn) 番茄 黃腐酸 緩控釋肥聚類 Slow release fertilizer cluster 微生物肥聚類 Bio fertilizer cluster 有機(jī)肥聚類 Organic fertilizer cluster 水溶肥聚類 Water soluble fertilizer cluster 肥效指標(biāo)聚類 Indicator cluster 圖 2 我國(guó)新型肥料相關(guān)研究領(lǐng)域聚類網(wǎng)絡(luò)圖 Fig 2 The clusters and network of research fields related to new type fertilizers in China 206植 物 營(yíng) 養(yǎng) 與 肥 料 學(xué) 報(bào)29 卷 釋肥產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)工藝相關(guān)專利達(dá)3135項(xiàng) 遠(yuǎn)超 其它國(guó)家 在自動(dòng)化連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備方面取得重大 進(jìn)展 創(chuàng)建了樹脂包膜 硫包膜 復(fù)合材料多層包 膜工藝的控釋肥料大規(guī)模生產(chǎn)線 產(chǎn)能大幅度提 升 我國(guó)已成為世界最大緩 控釋肥生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó) 樹脂包膜尿素 硫包膜尿素 包裹型肥料 有機(jī)質(zhì) 包膜緩釋肥料年產(chǎn)量分別達(dá)50萬 10萬 15萬和 10萬t 各類脲醛肥料年產(chǎn)量20萬t 每年應(yīng)用面積 約330萬hm2 0 5億畝 增產(chǎn)8 10億kg 節(jié)氮 3 5萬t 2 2 增值肥料 增值肥料利用有機(jī)生物活性增效載體 腐殖酸 海藻酸 氨基酸等 與氮 磷 鉀傳統(tǒng)化肥科學(xué)配伍 后 通過調(diào)控肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放 轉(zhuǎn)化 移 動(dòng) 固定等過程 優(yōu)化肥料的供肥性 從而提高肥 料利用率 27 傳統(tǒng)腐殖酸或海藻酸肥料 以腐殖酸或 海藻酸為主要原料 通過摻入無機(jī)肥料制成 但載 體活性相對(duì)較低 用量大 難以與化肥大型生產(chǎn)裝 置結(jié)合 存在產(chǎn)能低 成本高和產(chǎn)業(yè)化推廣難度大 等問題 71 72 趙秉強(qiáng) 73 74 通過腐殖酸結(jié)構(gòu)性優(yōu)化 海 藻濃縮提取 氨基酸組合加工等技術(shù) 開發(fā)高活 性 專用型增效載體 將增效載體添加量控制在 5 以內(nèi) 尿素 磷銨 復(fù)合肥等大型生產(chǎn)裝置的生 產(chǎn)與增效載體添加一次完成 突破了增值肥料生產(chǎn) 普遍存在的二次加工 產(chǎn)能低 成本高的技術(shù)短板 27 研發(fā)的增值尿素 增值磷銨和增值復(fù)合肥等產(chǎn)品 具有顯著促進(jìn)根系生長(zhǎng) 抑制土壤脲酶活性 降低 氨揮發(fā)損失 改善磷 鉀養(yǎng)分供應(yīng)等效應(yīng) 75 77 已發(fā) 展成為全球產(chǎn)量最大的綠色肥料產(chǎn)品類型 年產(chǎn)量 1500萬t 應(yīng)用面積約3000萬hm2 4 5億畝 增產(chǎn) 100億kg 推動(dòng)了我國(guó)綠色肥料發(fā)展由長(zhǎng)期跟蹤國(guó) 外轉(zhuǎn)向自主創(chuàng)新引領(lǐng) 為尿素 磷銨等大宗化肥產(chǎn) 品綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)提供科技支撐 27 2 3 水溶肥料 水溶肥泛指全部成分可溶于水的復(fù)合肥 可以 全部是氮磷鉀化肥或中微量元素肥料 也可以是含 水溶性有機(jī)小分子的肥料 水溶肥是水肥一體化技 術(shù)不可或缺的肥料類型 全球水溶性肥料總消費(fèi)量 約為800萬t 在發(fā)達(dá)國(guó)家主要用于大田作物 園林 景觀綠化植物和高爾夫球場(chǎng)的灌溉施肥及葉面施肥 等 78 水肥一體技術(shù)最成熟 應(yīng)用面積最大的是美 國(guó) 水溶肥達(dá)到化肥市場(chǎng)總量的40 美國(guó)25 的 玉米 60 的馬鈴薯 33 的果樹均應(yīng)用了水肥一 體化技術(shù) 而以色列由于缺水是水溶肥和水肥一體 技術(shù)利用率最高的國(guó)家 90 以上的農(nóng)田采用灌溉 施肥 溫室作物全部采用灌溉施肥系統(tǒng) 28 78 我國(guó)水 溶肥產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)80年代中后期 79 其發(fā)展歷 程主要分為3個(gè)階段 1 初步形成階段 以溶解性 及配伍性好的無機(jī)鹽類為原料配制葉面肥 養(yǎng)分種 類少 濃度低 應(yīng)用效果不穩(wěn)定 2 初步發(fā)展階 段 隨著對(duì)葉面營(yíng)養(yǎng)機(jī)理研究深入 葉面肥產(chǎn)品中 開始添加中微量元素及螯合劑和表面活性劑等助 劑 養(yǎng)分種類 養(yǎng)分濃度和吸收效率得到較大提 升 由于節(jié)水灌溉施肥技術(shù)發(fā)展滯后 水溶肥產(chǎn)業(yè) 發(fā)展較為緩慢 3 快速發(fā)展階段 隨著噴灌 滴灌 和無土栽培等技術(shù)的快速發(fā)展 帶動(dòng)了水溶肥料的 生產(chǎn) 在水溶肥中加入氨基酸 腐殖酸 海藻酸等 有機(jī)活性物質(zhì) 水溶肥功能走向多元化 從近20年 水溶肥相關(guān)研究的關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖 附圖2 也可 以看出 我國(guó)的水溶肥研究中大量元素水溶肥 中 微量元素水溶肥 氨基酸水溶肥 腐殖酸水溶肥以 及有機(jī)水溶肥各領(lǐng)千秋 張從軍等 80 利用粗磷酸螯合 處理形成的磷酸一銨溶液 與尿素 氯化鉀 硫酸 鎂溶液以及腐殖酸溶液等配伍 制備了含海藻酸提 取物的大量元素全水溶性液體肥料 豆亞妮等 81 利用 微生物發(fā)酵技術(shù)從糠醛渣中提取腐殖酸 通過與大 量 中量 微量元素化合物進(jìn)行鰲合 制成螯合態(tài) 腐殖酸水溶肥 隨著我國(guó)各類水溶肥料產(chǎn)品及其檢 測(cè)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)頒布 水溶肥料登記產(chǎn)品數(shù)量快速增 加 水溶肥相關(guān)專利申請(qǐng)達(dá)3148項(xiàng) 據(jù)中國(guó)化工信 息中心統(tǒng)計(jì) 我國(guó)水溶肥料年產(chǎn)量約410萬t 水溶 肥及水肥一體技術(shù)的推廣應(yīng)用面積約1000萬hm2 1 5億畝 主要應(yīng)用于西北的棉花 玉米和馬鈴 薯 華北的蔬菜 玉米和小麥 西南的馬鈴薯 蔬 菜和水果等作物上 在水溶肥生產(chǎn)工藝技術(shù)上 突 破了磷酸氨化過程復(fù)合螯合和固體肥料級(jí)聚磷酸銨 APP 聚合分布可控制備與工藝 創(chuàng)制了原位螯合水 溶性磷酸一銨和肥料級(jí)固體APP等產(chǎn)品 具有成本 低 溶解度高 螯合能力強(qiáng) 配伍性好等特點(diǎn) 雖 然在國(guó)內(nèi)高端水溶肥市場(chǎng)中 來自以色列 美國(guó)等 國(guó)的進(jìn)口產(chǎn)品仍占據(jù)較高的市場(chǎng)份額 但隨著我國(guó) 水溶肥和水肥一體技術(shù)的持續(xù)推進(jìn) 進(jìn)口水溶肥市 場(chǎng)占有率正在逐步減少 28 2 4 商品有機(jī)肥 有機(jī)肥原料來源豐富 包括畜禽糞尿 農(nóng)業(yè)廢 棄物 沼液沼渣 海洋養(yǎng)殖業(yè)廢棄物 泥炭 綠 2 期丁文成 等 我國(guó)新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究207 肥 工業(yè)廢棄物 餐廚垃圾等 其替代化肥的潛力 巨大 以畜禽糞尿?yàn)槔?我國(guó)畜禽糞尿總量達(dá)31 6 億t 所含氮 N 磷 P2O5 鉀 K2O 養(yǎng)分資源總量 分別達(dá)到1478萬 901萬和1454萬t 如果按75 還田 考慮養(yǎng)分損失后 其養(yǎng)分輸入量分別占氮 磷和鉀肥用量的34 80 和57 82 新型商品有 機(jī)肥技術(shù)主要包括無害化處理技術(shù) 快速發(fā)酵技 術(shù) 除臭技術(shù) 有機(jī)無機(jī)肥配伍技術(shù) 造粒工藝 等 商品有機(jī)肥克服了有機(jī)肥原料養(yǎng)分含量低 運(yùn) 輸成本高 施用量大等缺點(diǎn) 提升了農(nóng)民使用的意 愿 促進(jìn)了商品有機(jī)肥的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 基于有機(jī)肥 相關(guān)研究的關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖 附圖3 分析 近年 來商品有機(jī)肥研究主要聚焦生物有機(jī)肥 有機(jī)無機(jī) 復(fù)合 混肥等高效有機(jī)肥產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用 研究重點(diǎn) 關(guān)注了有機(jī)替代實(shí)現(xiàn)化肥減量增效 生物有機(jī)肥優(yōu) 化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)緩解連作障礙的機(jī)理等 最 具代表性的當(dāng)屬沈其榮等提出的全元生物有機(jī)肥產(chǎn) 品 該產(chǎn)品具有滿足當(dāng)季作物養(yǎng)分需求 顯著抑制 土壤酸化 有效調(diào)控土壤微生物區(qū)系 持久性提高 土壤肥力等功能 實(shí)現(xiàn)了作物當(dāng)季高產(chǎn)優(yōu)質(zhì) 持續(xù) 保育土壤的雙重目標(biāo) 在生物有機(jī)肥與土壤熏蒸聯(lián) 合防控土傳病害綜合技術(shù)方面取得突破 對(duì)防治黃 瓜 西瓜和香蕉等作物枯萎病效果顯著 83 84 農(nóng)業(yè)農(nóng) 村部 開展果菜茶有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)方案 畜 禽糞污資源化利用行動(dòng)方案 2017 2020年 等相 關(guān)政策的出臺(tái) 推動(dòng)了我國(guó)有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)的快速發(fā) 展 目前 全國(guó)有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)約3700家 有機(jī)肥 相關(guān)專利數(shù)達(dá)到2萬余項(xiàng) 商品有機(jī)肥施用量為 957萬t 其中精制有機(jī)肥318萬t 有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥 料422萬t 生物有機(jī)肥151萬t 85 2 5 微生物肥料 微生物肥料不同于其他肥料類型 不以為作物 直接提供養(yǎng)分為目的 主要功效是促進(jìn)養(yǎng)分吸收與 利用 調(diào)控作物生長(zhǎng) 增強(qiáng)植株抗逆性和抗病性 改良和修復(fù)土壤功能 86 90 微生物肥料通常利用固氮 菌株加強(qiáng)土壤 作物體系的生物固氮能力 91 92 利用 溶磷菌株代謝產(chǎn)生的磷酸酶 核酸酶等生物酶或草 酸 琥珀酸 乳酸等有機(jī)酸 分解土壤中的難溶性 磷